汤国安《地理信息系统教程》第8章 DEM与数字地形分析

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DEM与数字地形分析

• 基本概念
  • 数字高程模型DEM
  • 数字地形模型DTM
  • 数字表面模型DSM
  • 数字地形分析DTA
    • 概念
      • DTA，指在DEM上进行属性计算和特征提取的数字地理信息处理技术
    • 地形属性
      • 地形曲面参数
      • 地形形态特征
      • 地形统计特征
      • 复合地形特征
    • 主要内容
      • 提取描述地形属性和特征因子
      • DTM可视化分析
    • 常用方法
      • 提取坡面地形因子
      • 提取地形要素
        • 流域分析
        • 可视域分析
          • 两点间的通视性
          • 可视域
      • 地形统计特征分析
• DEM建立
  • DEM建立一般步骤
    • 采用合适的空间模型构造空间结构
    • 采用合适的属性域函数
    • 在空间结构中进行采样，构造空间域函数
    • 利用空间域函数进行分析
  • 格网DEM建立
  • TIN的建立
    • 典型的矢量数据结构
    • 满足要求
      • 三角形形状最佳，尽量接近正三角形
      • 保证最近的三个点在同一个三角形上
      • 三角网络是唯一的
    • 三角准则
      • 空外接圆准则
      • 最大最小角准则
      • 最短距离和准则
      • 张角最大准则
      • 面积比准则
      • 对角线准则
  • 等高线的建立
    • 概述
    • 步骤
      • 
  • DEM内插方法
    • 概述
    • 方法
      • 整体内插法
      • 局部内插法
      • 逐点内插法
  • 数据源
    • 地形图数据源
      • 优点
        • 具有统一的大地坐标系和高程系统
        • 具有完整的比例尺系列和分幅编号系统
      • 缺点
        • 地形图现势性较差
        • 地形图存储介质单一，容易变形
        • 地形图精度有限
    • 遥感数据源
      • 特点
        • 更新速度快
        • 有效手段
        • 多分辨率特征
    • 地面测量数据
      • 优点
        • 高精度
      • 缺点
        • 工作量大、周期长、费用高、更新困难
        • 适用于小范围数据采集和数据更新，精度要求较高的工程项目
• 数字地形分析
  • 基本地形因子
    • 斜坡因子
    • 面积因子
    • 体积因子
    • 面元因子
  • 基本因子分析
    • 坡度
      • 概念
      • 表示方法
        • 坡度
        • 坡度百分比
      • 计算方法
        • 曲面拟合法
    • 坡向
      • 概念
      • 计算方法
        • 以北方为起始方向
        • 顺时针度量
    • 曲率
      • 基本原理
        • 求算曲率值的关键
          • 确定出式中各个参量的值
        • 最常用的算法
          • 三阶反距离平方权差分
      • 坡面曲率
      • 平面曲率
    • 宏观地形因子
      • 基于栅格DEM计算宏观地形因子关键
        • 确定分析半径大小
      • 地形起伏度
        • 最大高程和最小高程之差
      • 地表粗糙度
        • 曲面面积和投影面积之比
        • 步骤
          • 根据DEM提取坡度因子S
          • 根据公式R=1/cos（S）计算
      • 地表切割深度
        • 平均高程和最小高程之差
        • 研究水土流失及地表侵蚀发育状况的重要指标
        • 参照地表起伏度的算法
  • 地表特征分析
    • 地形特征点提取
      • 
    • 山脊线和山谷线提取
      • 骨架线
      • 分水性和汇水性
      • 基于图像处理的原理
        • 主要思路
          • 设计2*2窗口进行扫描
          • 第一次扫描，将窗口中具有最低高程值的点进行标记，自始至终未被标记为山脊线上的点
          • 第二次扫描，将窗口中具有最高高程值的点进行标记，自始至终未被标记为山谷线上的点
        • 缺陷
          • 取特征点必须排除DEM中噪声的影响
          • 特征点连接成线算法困难
      • 基于地形表面几何形态分析
        • 基本过程
          • 找出DEM纵向与横向两个断面极大极小值点，作为地形特征线上的备选点
          • 根据一定的条件和准则，将这些备选点划归各自所属的地形特征线
        • 缺陷
          • 特征点和特征线判断分开进行，忽略了每条地形特征线必然存在的曲率变化现象
          • 由于该方法只选择纵、横两个断面来确定高程变化的极值点，因此地形特征线有一定的近似性，有时候会出现遗漏
      • 基于地形表面流水物理模拟分析原理的算法
        • 基本思想
          • 计算汇水量，找出汇水线，找分界线得到分水线
          • 采用了整体追踪分析的思路和方法，分析结果系统性好，还便于进行相应的径流成因分析
        • 缺陷
          • 汇水量与高程有关，可能导致地处非地形特征线上的点汇水量也比较大，从而误认为地形特征线上的点；位于高处的相反。这就造成特征线两端效果差
          • 将公共边界视为分水线，因此分水线为闭合曲线，与实际不符
      • 基于地形表面几何形态分析与流水物理模拟分析相结合
        • 基本思路
          • 采取稀疏的DEM格网数据，按流水物理模拟算法去提取区域内概略的地形特征线
          • 按其引导，对其周围邻近区域进行几何分析，来精确地确定区域地形特征线
        • 算法关键
          • 求出概略的地形特征线与DEM格网线的交点
          • 在该交点小区域内，对DEM数据进行几何分析，找到高程变化的极值点，该点即为地形特征线的精确位置
          • 算法基本过程归纳为
            • 概略DEM的确立
            • 地形流水物理模拟
            • 概略地形特征线提取
            • 地形几何分析
            • 地形特征线精确确定
      • 平面曲率与坡位组合法
        • DEM提取平面曲率和正负地形
        • 取正地形平面曲率大值为山脊，负地形平面曲率大值为山谷
        • 宽度可由选取平面曲率的大小来调节，方法简单效果好
  • 流域分析
    • 流域定义
    • 流域提取
      • 三个基础矩阵
        • 无洼地DEM
        • 水流方向矩阵
        • 流水累计矩阵
      • 步骤
        • DEM洼地填充
          • 单元值加高到周围最低单元值
        • 水流方向确定
          • 单流向
          • 多流向
          • 3*3格网中找最陡的坡
        • 水流累计矩阵生成
          • 水流累计矩阵是指流向该网格的所有上游格网单元的水流累计量
          • 基于水流方向确定，是流域划分的基础
          • 可以是面积也可以是单元数，取决于具体软件
        • 流域网络提取
          • 通过设定的阈值，沿水流方向将高于此阈值的格网连接起来
  • 可视性分析
    • 概念
      • 也称通视分析，实质属于对地形最优化处理的范畴
      • 是利用DEM判断地形上任意两个点之间是否可以相互可见的技术方法
      • 分为
        • 视线通视分析
          • 判断任意两点之间是否通视
        • 视域通视分析
          • 从任意一点出发，判断该区域内所有其他点的通视情况
      • 基本因子
        • 两点之间的通视性
        • 可视域（即给定的观察点覆盖的区域）
    • 判断两点之间的可视性的算法
      • 比较常见的一种算法
        • 确定过观察点和目标点所在的线段与XY平面垂直的平面S
        • 求出地形模型中与S相交的所有的边
        • 判断相交的边是否位于观察点和目标点所在的线段之上，如果有一条边在其上则不可视
      • 射线追踪法
        • 对于给定的观察点v和观察方向，计算与射线相交的第一个面元，如果这个面元存在，则不再计算
        • 既可以判断两点相互之间是否可视，又可以用于限定区域的水平可视计算
    • 计算可视域的算法
      • 算法思想
        • 以离散形式出现，每个各网点表示可视或不可视，这就是“可视矩阵”
      • 缺陷
        • 存在大量冗余计算
        • 总的来说，规则格网DEM格网点比较多，相应的时间消耗比较大
        • 针对规则格网DEM的特点，比较好的处理方法是采用并行处理
  • 黄土高原建模与分析
    • 沟沿线的定义
      • 正地形沟间地和负地形沟谷地的分界线
      • 通常情况下是黄土坡面明显转折的地方
      • 不仅仅是重要地形特征线，也是明显的土壤侵蚀类型和土地利用分界线
    • 沟沿线的提取
      • 基于地形因子的方法
        • 通过分析沟沿线以上区域与以下区域的各项地形因子（坡度、坡度变率、曲率等）的差异来识别沟沿线
      • 基于数学图像处理的方法
        • 将DEM类比遥感影像，通过边缘检测或影像分类等图像方法处理识别沟沿线
      • 基于可视性分析的方法
        • 通过可视域分析或者模拟光照，识别沟沿线以上和以下区域形成的可视性差异提取可视性分析沟沿线
    • 基于沟沿线的黄土地貌分析
      • 典型应用
        • 通过对沟沿线特征指标空间分异情况的统计
        • 评价研究区沟蚀情况并制作沟蚀程度分区图